化工设计---第四章 物料衡算和热量衡算.ppt

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1、第四章物料衡算和热量衡算2015年8月6日普通高等学校十二五规划教材《化工设计》2第一节连续过程的物料衡算教学内容：结合具体实例，理解利用化学反应速率进行反应过程的物料衡算的方法。重点和难点：重点掌握利用化学反应速率进行反应过程的物料衡算的方法。难点是衡算基准的选择，包括基准物流的名称和单位选择，以及物料平衡方程、摩尔分数约束式及设备约束式的内容和形式。第四章物料衡算和热量衡算3一、连续过程的物料衡算一般表示式为：系统中积累=输入–输出+生成–消耗稳态过程时输入=输出–生成+消耗无化学反应的稳态过程输入=输出第四章物料衡算和热量衡算4物料平衡形式总平衡式*总质量平衡式总摩尔平衡

2、式组分平衡式组分质量平衡式组分摩尔平衡式元素原子平衡式*元素原子质量平衡式*元素原子摩尔平衡式第四章物料衡算和热量衡算5物料衡算的基本步骤⑴画出流程示意图⑵列出已知数据⑶列出由物料平衡所需求解的问题。⑷决定系统的边界⑸写出主、副产品的化学反应方程式。第四章物料衡算和热量衡算6⑹约束条件⑺选择计算基准⑻进行物料平衡计算⑼列出物料和能量平衡表，并进行校核⑽结论第四章物料衡算和热量衡算7关于基准⑴时间基准连续（小时，天……）间歇（釜，批……）⑵质量基准kg，mol，kmol……⑶体积基准m3（STP）⑷干湿基准干基（不含水），湿基（含水）例：100kg湿物料，其中含水10kg，按湿基

3、：含水率为10%；若按干基：含水率为10/（100-10）×100%=11.11%第四章物料衡算和热量衡算8C3H8+5O2=3CO2+4H2O每100kmol燃烧产物需要多少摩尔空气？1.基准：1kmol原料气C3H8燃烧用氧5kmol；实际供氧5×1.25=6.25kmol；供给空气量29.76kmol；其中氮气量23.51kmol产生：CO23kmol；H2O4kmol；O21.25kmol；N223.51kmol；合计31.76kmol；x==93.7kmol第四章物料衡算和热量衡算92.基准：1kmol空气实际供氧0.21/1.25=0.168kmol；燃烧C3H30

4、.21/（5×1.25）=0.0336kmol；供给空气量1kmol；其中氮气量0.79kmol；产生：CO20.101kmol；H2O0.135kmol；O20.042kmol；N20.79kmol；合计1.068kmol；x==93.7kmol第四章物料衡算和热量衡算10（3）基准：100kmol烟道气以元素平衡法：C3H8+5O2=3CO2+4H2OC平衡3B=P；H2平衡4B=Q；O2平衡0.21A=M+Q/2+P；N2平衡0.79A=N；烟道气总量N+M+P+Q=100；过剩氧气0.21A（0.25/1.25）=M解出：空气量A=93.7kmol；C3H8B=3.14

5、8kmol；N2N=74.02kmol；O2M=3.935kmol；CO2P=9.445kmol；H2OQ=12.59kmol。第四章物料衡算和热量衡算11物料平衡计算的条件１.方程式⑴物料平衡方程式⑵物流约束式构成物流各组分的分率之和等于1=1第四章物料衡算和热量衡算122.变量有Ns股物流，Nc个组分数，Np个设备参数总变量数：Nv=Ns（Nc+1）+Np设计变量第四章物料衡算和热量衡算13⑴转化率转化率=⑵选择性选择性=xA=β=第四章物料衡算和热量衡算14⑶收率收率=转化率×选择性=ψ=βxA=⑷限制反应物⑸过量反应物第四章物料衡算和热量衡算15无化学反应的物料衡算料浆

6、滤饼90%固体F1=2000kg/h过滤机F3=？kg/h10%液体75%液体25%固体滤液F2=？kg/h1%固体99%液体过滤过程第四章物料衡算和热量衡算16总平衡式输入的料浆=输出的滤液+输出的滤饼F1=F2+F3液体平衡式F1x11=F2x21+F3x31第四章物料衡算和热量衡算17精馏过程馏出液F3乙醇水24%F1料液苯75%乙醇40%水60%F2苯乙醇产品F4=1000kg/h三个未知数需三个方程总物料平衡式F1+F2=F3+F4组分物料平衡式苯平衡F2=0.75F3水平衡0.6F1=0.24F3醇平衡（1－0.6）F1第四章物料衡算和热量衡算18二、多单元系统F2

7、F4x2Bx4B=0.08x2Cx4C=0.72F1=1000mol/hx1B=0.2单x1C=0.3元x1DⅠ单元ⅡF5x5CF3x3B=0.025x5Dx3C=0.35x3D第四章物料衡算和热量衡算每一个单元列出一组平衡方程式，再列出整个系统的平衡方程式。19化学反应过程的物料衡算1.直接计算法甲醇氧化制甲醛：CH3OH+1/2O2HCHO+H2OCH3OHCH3OHHCHO催化反应器2O空气O2（过量50%）N2第四章物料衡算和热量衡算20输入：O2（需要）=0.5mol；O2（输入）